氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能

利用水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐（[Hvim]NO₃）作为发泡剂和一次氮源,在碳化过程中实现材料自发泡。创造性地引入二次氮源三聚氰胺（C₃H₆N₆）,通过调控一次、二次氮源比例和碳化温度,制备得到氮掺杂泡沫碳材料（HxMy-T,其中x：y为一次和二次氮源的质量比,T对应不同的碳化温度）。该方法提升了催化剂的氮掺杂含量,构建了更多有利于氧还原反应（ORR）的活性氮位点。电镜结果显示,催化剂H1M1-1000呈现出典型的泡沫碳孔洞结构和丰富的层状褶皱结构;X射线光电子能谱测试结果表明,该样品具有较高的活性氮含量（原子分数6.77%）,吡啶氮和石墨氮的原子分数分别高达22.23%和55.59%;电化学测试结果表明,该样品在碱性环境中的半波电位为0.834 V（vs RHE）,与商业Pt/C相当,且具有优于商业Pt/C的抗甲醇性能和稳定性。     

氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能

利用水解乙烯基咪唑翁硝酸盐([Hvim]NO3)作为发泡剂和一次氮源,在碳化过程中实现材料自发泡.创造性地引入二次氮源三聚氰胺(C3H6N6),通过调控一次、二次氮源比例和碳化温度,制备得到氮掺杂泡沫碳材料(HxMy-T,其中x∶y为一次和二次氮源的质量比,T对应不同的碳化温度).该方法提升了催化剂的氮掺杂含量,构建了...     

氮掺杂碳纳米管负载Co3O4氧还原电催化剂的制备与性能

以碳纳米管(CNT)为原料,通过负载维生素B₁₂,简单热解得到了一种氮掺杂碳纳米管(N/CNT)负载低含量Co₃O₄纳米颗粒的氧还原电催化剂(Co₃O₄@N/CNT)。得益于均匀分散的Co₃O₄纳米颗粒以及氮掺杂,Co₃O₄@N/CNT表现出了优异的氧还原催化性能,其半波电位达到了0.844 V(vs RHE),超越了商业Pt/C(0.820 V(vs RHE))。与Pt/C相比,基于Co₃O₄@N/CNT组装的锌-空气电池表现出了更优的放电性能和循环稳定性。     

金属/非金属元素掺杂提升原子级分散碳基催化剂的氧还原性能

原子级别分散的过渡金属和氮共掺杂碳基催化剂(M-N_x-C)具有反应活性好、选择性高、制备容易等优点,被认为是最有可能取代价格昂贵的铂催化剂用作燃料电池阴极的一类非贵金属催化剂。然而,该类催化剂在阴极侧氧还原反应过程中存在活性位点密度较低、耐久性不足的问题制约了其在燃料电池中的实际应用。研究表明,通过多种金属/非金属元素的掺杂调控活性位点的电子结构与空间构型可显著提升M-N_x-C催化剂的氧还原活性和稳定性,已成为掺杂碳基催化剂领域的热门研究课题。本文综述了近年来国内外在多种金属/非金属元素掺杂提升M-N_x-C碳基催化剂性能方面的主要研究工作,包括金属元素掺杂、非金属元素掺杂等研究。文章进一步总结和指出了M-N_x-C碳基催化剂面临的问题及挑战,并对其发展前景和未来研究方向进行了展望。     

碳纳米管负载四硝基金属酞菁-MnO2双催化剂催化氧还原性能

过渡金属酞菁具有很高的氧还原催化活性, MnO₂对氧还原反应有催化作用,但是将过渡金属酞菁和MnO₂作为氧还原反应的双催化剂的研究较少。 本文采用苯酐-尿素法合成了碳纳米管(CNT)负载四硝基金属酞菁(TNMPc)组装体,联合γ-MnO₂作为氧还原反应的双催化剂。 借助循环伏安法对双催化剂的配比进行优化,得到二者的最佳比例。 研究了四硝基金属酞菁的中心金属离子对最佳比例双催化剂催化性能的影响和双催化剂的抗甲醇性能,结果表明,双催化剂对氧还原反应的催化能力主要受到金属离子本性的影响,双催化剂对氧还原反应的催化效率顺序为CNT/TNFePc-MnO₂>CNT/TNCoPc-MnO₂>CNT/TNNiPc-MnO₂>CNT/TNCuPc-MnO₂;4种双催化剂均具有较好的抗甲醇中毒性能。     

Cu-N共掺杂碳基催化剂的制备及其氧还原性能

为了解决燃料电池阴极催化剂价格昂贵、稳定性差等问题,使用α-亚硝基-β-萘酚铜、三聚氰胺和导电碳黑通过简单的热处理制备Cu、N共掺杂的碳基催化剂(Cu-N-KB)。表征结果证实Cu、N均匀分布在碳载体中,其中铜以晶态铜粒子和非晶态的Cu-Nx两种方式存在,该催化剂高的比表面积与介孔结构确保了其大量的活性位点和快速的传质效率。该催化剂在碱性介质中表现出比商业Pt/C催化剂优异的氧还原催化性、抗甲醇性和稳定性。     

调控碳材料的功函数以大幅度提升其电催化氧还原性能

氧的电催化还原反应是燃料电池装置与金属空气电池的阴极反应, 具有重大的研究意义. 在众多的非铂催化剂中,碳材料因其低廉的价格以及独特的物理化学性质受到了广泛的关注. 自从发现氮掺杂的碳纳米阵列具有优异的氧还原活性后, 不同类型的氮掺杂的碳也得到了深入研究. 例如近年来兴起的由金属有机框架衍生的氮掺杂的碳材料, 兼具丰富...     

铂基氧还原电催化剂的结构演变

质子交换膜燃料电池的商业化有望在不久的将来实现更清洁的能源社会.然而,氧还原反应缓慢的反应动力学和苛刻的条件对质子交换膜燃料电池的寿命和成本产生了巨大的挑战.之前大多数铂基催化剂的设计都将重点更多地放在提高活性上.随着质子交换膜燃料电池的商业化,寿命问题也受到了更多的关注.对整个生命周期中结构演变进行深入地了解,有助于...     

GNs-MnO2复合催化剂的制备及催化氧还原性能

石墨烯由单层碳原子组成,具有大的比表面积和超高的导电性,广泛应用于催化与储能领域.本工作结合石墨烯独特的物理化学性质和结构特性,采用原位氧化还原法,以KMnO4和石墨烯(GNs)为原料合成GNs-MnO2氧还原催化剂,通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、透射电镜(TEM)、热重(TG)、BET等分析测试技术研究了纳米GNs-MnO2复合材料的微观结构特征.结果表明,合成的MnO2纳米线直接生长在石墨烯的表面,增加了MnO2的比表面积,提高了催化剂的活性位点.电化学测试表明,合成的GNs-MnO2催化剂在碱性介质中电催化氧还原电位比纯MnO2的氧还原电位正移80 mV,电流提高了1.3倍,在燃料电池氧还原电催化中有一定的应用前景.     

银耳状Fe-N-C复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究

以无机铁盐和邻苯二胺为基础原料,经铁基螯合前驱体热解反应,制备出Fe-N-C复合催化剂.经扫描电镜观察,带有折褶的碳微纳米片相互交迭,形成银耳状的三维自支撑结构.氮气吸脱附测试表明此结构富含微孔和介孔,比表面积可达290 m2/g.通过X射线衍射(XRD)确证石墨化C和多晶Fe3C作为催化剂主相存在, X射线光电子能谱(XPS)进一步揭示N原子主要以石墨N和吡啶N形式掺杂到C骨架中.电化学测试表明银耳状Fe-N-C复合催化剂在碱性条件下催化氧还原反应为四电子过程,其催化活性可媲美商业Pt/C催化剂.经过2000次氧还原测试后,催化极限电流衰减小于5%,并且半波电势仅负移5 mV(商业Pt/C催化剂负移35 mV),表现出优异的氧还原催化稳定性.     

多尺度炭材料担载铂作为稳定的电催化剂用于氧还原反应

炭载体的稳定性对于燃料电池电催化剂是至关重要的. 本文中采用酚醛树脂作为前驱体,二氧化硅为模板剂,制备了多介孔且石墨化程度高的炭载体（HGMC）. 相比于商品Vulcan XC-72,HGMC具有中等的比表面积和高的石墨化程度,因此在电位循环扫描过程中具有较高的化学稳定性,然而HGMC碳层堆叠的结构不利于传质. 为克服这一劣势,多壁碳纳米管（MWCNTs）作为隔离物加入至HGMC中以构建具有三维多尺度结构的载体（MSGC）. 与HGMC为载体担载Pt以及商品催化剂Pt/C-JM相比,由于炭载体的具有高稳定性以及三维多尺度结构,MSGC担载Pt后不仅使电催化剂的电化学稳定性提高,且氧还原反应过程中传质得到显著改善.     

双中心MOFs衍生的Co-ZnO@CN纳米材料作为电化学催化剂用于氧还原反应的研究

采用水热法合成了一系列的Co-Zn-MOF材料,随后将其在高温下热解,采用自模板的方式得到双中心MOFs衍生的Co-ZnO@CN纳米催化剂.通过调节前驱体的比例和热解温度,优化了制备Co-ZnO@CN纳米催化剂的条件.利用粉末X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对Co-ZnO@CN纳米催化剂的结构及表面化学性质进行表征,采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)考察了Co-ZnO@CN纳米催化剂的形貌和表面化学元素的种类和组成.通过氧还原反应(ORR)测试了催化剂的催化性能.实验结果表明当热解温度为800℃,Co与Zn摩尔质量之比为1∶2时,所得到的Co-ZnO(1∶2)@CN-800纳米催化剂的催化活性最高,其起始电势和半波电势分别为0.90和0.78 V,此外,通过计算表明该纳米催化剂在氧还原反应中氧分子还原过程遵循4e-反应路径.     

Single Mn Atom Anchored on Nitrogen-Doped Graphene as a Highly Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction

Single Mn atom on nitrogen-doped graphene (MnN₄-G) has exhibited good structural stability and high activity for the adsorption and dissociation of an O₂ molecule, becoming a promising single-atom catalyst (SAC) candidate for oxygen reduction reaction (ORR). However, the catalytic activity of MnN₄-G for the ORR and the optimal reaction pathway remain obscure. In this work, density-functional theory calculations were employed to comprehensively investigate all the possible pathways and intermediate reactions of the ORR on MnN₄-G. The feasible active sites and the most stable adsorption configurations of the intermediates and transition states during the ORR were identified. Screened from all the possibilities, three optimal four-electron O₂ hydrogenation pathways with an ultralow energy barrier of 0.13 eV were discovered that are energetically more favorable than direct O₂ dissociation pathways. Analysis of the free energy diagram further verified the thermodynamical feasibility of the three pathways. Thus, MnN₄-G possesses superior ORR activity. This study provides a fundamental understanding of the design of highly efficient SACs for the ORR.     

Isolated Single Iron Atoms Anchored on N-Doped Porous Carbon as an Efficient Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction

The development of low-cost, efficient, and stable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is desirable but remains a great challenge. Herein, we made a highly reactive and stable isolated single-atom Fe/N-doped porous carbon (ISA Fe/CN) catalyst with Fe loading up to 2.16 wt %. The catalyst showed excellent ORR performance with a half-wave potential (E_1/2) of 0.900 V, which outperformed commercial Pt/C and most non-precious-metal catalysts reported to date. Besides exceptionally high kinetic current density (J_k) of 37.83 mV cm⁻² at 0.85 V, it also had a good methanol tolerance and outstanding stability. Experiments demonstrated that maintaining the Fe as isolated atoms and incorporating nitrogen was essential to deliver the high performance. First principle calculations further attributed the high reactivity to the high efficiency of the single Fe atoms in transporting electrons to the adsorbed OH species.     

Low‐Pt Loaded on a Vanadium Nitride/Graphitic Carbon Composite as an Efficient Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction

The high cost of platinum electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) has hindered the commercialization of fuel cells. An effective support can reduce the usage of Pt and improve the reactivity of Pt through synergistic effects. Herein, the vanadium nitride/graphitic carbon (VN/GC) nanocomposites, which act as an enhanced carrier of Pt nanoparticles (NPs) towards ORR, have been synthesized for the first time. In the synthesis, the VN/GC composite could be obtained by introducing VO₃^? and [Fe(CN)₆]^4? ions into the polyacrylic weak‐acid anion‐exchanged resin (PWAR) through an in‐situ anion‐exchanged route, followed by carbonization and a subsequent nitridation process. After loading only 10 % Pt NPs, the resulting Pt‐VN/GC catalyst demonstrates a more positive onset potential (1.01 V), higher mass activity (137.2 mA mg^?1), and better cyclic stability (99 % electrochemical active surface area (ECSA) retention after 2000 cycles) towards ORR than the commercial 20 % Pt/C. Importantly, the Pt‐VN/GC catalyst mainly exhibits a 4 e^?‐transfer mechanism and a low yield of peroxide species, suggesting its potential application as a low‐cost and highly efficient ORR catalyst in fuel cells.     

锗纳米管催化的氧还原反应:催化性能和机理研究

应用密度泛函理论,在DZP基组水平上研究了（5,5）型锗纳米管催化的氧还原反应（ORR）的性能以及可能的催化机理.计算结果表明,ORR在锗纳米管上可能经历O₂解离、OOH解离、H₂O₂解离三种可能机理.无论是对哪种机理,整个ORR均遵循四电子反应路径.评估ORR性能的重要中间产物O和OH的吸附能分别为-4.33 eV和-2.21 eV,这与它们在贵金属铂（Pt）上的吸附能非常接近.此外,在GeNT上,整个ORR过程中最后一步生成的H₂O分子的吸附能仅仅为-0.05 eV,比O₂分子的吸附能弱得多,意味着整个ORR催化循环在GeNT上可以顺利更替.因此,联合ORR的反应能量数据和中间产物的吸附数据,可以认为（5,5）型锗纳米管具有类Pt的催化性能.溶剂效应计算结果表明,一些反应中间产物的吸附结构,如O中间体会在很大程度上受到溶剂效应的影响.对所研究的锗纳米管来说,溶剂效应可以促进其催化的ORR进程.     

Control of the Interfacial Wettability to Synthesize Highly Dispersed PtPd Nanocrystals for Efficient Oxygen Reduction Reaction

Highly dispersed PtPd bimetallic nanocrystals with enhanced catalytic activity and stability were prepared by adjusting the interfacial wettability of the reaction solution on a commercial carbon support. This approach holds great promise for the development of high‐performance and low‐cost catalysts for practical applications.     

Carbon Nanotube Supported Molybdenum Carbide as Robust Electrocatalyst for Efficient Hydrogen Evolution Reaction

Molybdenum carbide is considered to be one of the most competitive catalysts for hydrogen evolution reaction (HER) regarding its high catalytic activity and superior corrosion resistance. But the low electrical conductivity and poor interfacial contact with the current collector greatly inhibit its practical application capability. Herein, carbon nanotube (CNT) supported molybdenum carbide was assembled via electrostatic adsorption combined with complex bonding. The N-doped molybdenum carbide nanocrystals were uniformly anchored on the surfaces of amino CNTs, which depressed the agglomeration of nanoparticles while strengthening the migration of electrons. The optimized catalyst (250-800-2h) showed exceptional electrocatalytic performance towards HER under both acidic and alkaline conditions. Especially in 0.5 M H₂SO₄ solution, the 250-800-2h catalyst exhibited a low overpotential of 136 mV at a current density of 10 mA/cm² (η₁₀) with the Tafel slope of 49.9 mV dec⁻¹, and the overpotential only increased 8 mV after 20,000 cycles of stability test. The active corrosive experiment revealed that more exposure to high-activity γ-Mo₂N promoted the specific mass activity of Mo, thus, maintaining the catalytic durability of the catalyst.     

通过铁掺杂和造孔提高氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物电催化氧还原性能的研究（英文）

氧还原反应催化剂的性能直接影响着能源转换和存储器件如燃料电池和金属-空气电池的性能. 开发低成本、高性能的非铂族金属氧还原催化剂对于这类器件的实际应用和商业化十分重要,因此备受关注. 氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物同时具备碳纳米管的良好导电性能和有利于传质的三维网络结构优点,以及氮掺杂石墨烯的高活性优点,因此有望发展为这类可替代铂族催化剂的氧还原电催化剂之一,但目前其催化性能还需进一步提高. 本文研究发现通过在氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物的过程中引入铁元素可以有效提高催化剂的氧还原活性,并且发现通过在热处理和氮掺杂过程中加入二氧化硅纳米颗粒及随后除去二氧化硅,可以在氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物材料中有效地形成多孔结构. 这种多孔结构的形成不仅可以在复合物中引入更多的高活性催化位点,而且有利于暴露更多的催化活性位并促进氧还原反应中的传质过程. 结合碳纳米管、石墨烯和多孔结构的三者优点,所制备的多孔氮掺杂碳材料表现出优异的电催化氧还原性能. 进一步的实验表明,这类材料还表现出优异的抗甲醇中毒能力和良好的稳定性,因此在性能改进后有望用于燃料电池等能量转换与存储器件.